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48V P2 混動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證
2020-11-07 22:27:46· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：石田俊雄， 李圓
前言為了提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)，在傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成了并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。根據(jù)電機(jī)布置位置不
前言
為了提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī)，在傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成了并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。根據(jù)電機(jī)布置位置不同可分為P0、P1、P2、P2.5、P3、P4及組合方案。并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)在原總動(dòng)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)成本及開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。其中，P2混動(dòng)方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，可實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)能量回收及發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)節(jié)等功能，單電機(jī)P2方案在燃油經(jīng)濟(jì)性、開發(fā)成本及系統(tǒng)改動(dòng)等方面綜合優(yōu)勢明顯，是目前應(yīng)用最廣泛的并聯(lián)混動(dòng)方案。
圖1 P2混動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
P2電機(jī)布置有偏置布置和同軸布置兩種方案（圖2），其中偏置布置的動(dòng)總軸向尺寸較小，有利于動(dòng)總在整車上搭載，鏈傳動(dòng)或帶傳動(dòng)速比可適當(dāng)降低電機(jī)扭矩需求；同軸布置方案更方便與變速器集成，如基于AT的P2混動(dòng)變速器在原液力變矩器的位置集成P2電機(jī)，基于DCT的P2混動(dòng)變速器把C0離合器、雙離合器及電機(jī)集成為一個(gè)模塊等，因此，P2電機(jī)同軸布置方案集成度更高，有利于提升混動(dòng)變速器傳動(dòng)效率等。
圖2 P2混動(dòng)電機(jī)布置方案
燃油車及純電動(dòng)車的動(dòng)總匹配通過最高車速、最大爬坡度、加速性能等指標(biāo)，確定動(dòng)力源的額定功率扭矩、變速器速比等。P2混動(dòng)車型發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)協(xié)同工作，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)行車充電、電機(jī)助力、電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)等多種工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)參數(shù)選擇直接決定不同模式下整車動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及駕駛性能。48V系統(tǒng)具有成本低、系統(tǒng)成熟等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于P0混動(dòng)系統(tǒng)上。同時(shí)，相比高壓系統(tǒng)，48V系統(tǒng)在額定功率扭矩上性能有限，當(dāng)其應(yīng)用于P2混動(dòng)時(shí)，應(yīng)著重考慮48V電機(jī)電池與動(dòng)總發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器的匹配性，使之滿足整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性及駕駛性要求。
本文針對(duì)某A級(jí)P2混動(dòng)車型，從純電模式下最高車速、最大爬坡度及加速性能等指標(biāo)出發(fā)，制定P2混動(dòng)電機(jī)、電池匹配設(shè)計(jì)方案，結(jié)合WLTC工況需求功率扭矩統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，完成電機(jī)電池參數(shù)修正；通過搭建整車動(dòng)力學(xué)模型，完成48VP2混動(dòng)動(dòng)力總成匹配驗(yàn)證。
2 48V P2混動(dòng)動(dòng)總匹配設(shè)計(jì)
P2混動(dòng)車型一般在燃油車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改型：增加電機(jī)、電池組及相關(guān)控制模塊等。P2混動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)最大輸出扭矩超過了變速器限扭，因此，P2混動(dòng)的最高車速及爬坡性能不低于對(duì)應(yīng)的燃油車版本，不能作為電機(jī)選型依據(jù)，在此以純電模式相關(guān)指標(biāo)確定電機(jī)參數(shù)，在結(jié)合整車WLTC工況需求功率扭矩統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最終確定電機(jī)及電池參數(shù)。
2.1 WLTC工況需求功率扭矩統(tǒng)計(jì)分析
在此以搭載1.5TG發(fā)動(dòng)機(jī)、7速濕式雙離合變速器某A級(jí)轎車為基礎(chǔ)，進(jìn)行P2混動(dòng)車型電機(jī)、電池的匹配設(shè)計(jì)研究。發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及整車參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)特性數(shù)據(jù)、變速器傳動(dòng)效率通過效率試驗(yàn)實(shí)測得到。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)、 變速器及整車參數(shù)
通過對(duì)燃油車型仿真分析獲得WLTC工況下動(dòng)力源的需求功率及需求扭矩，如圖3所示。低速工況 （車速小于100km/h） 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)，WLTC工況對(duì)動(dòng)力端功率需求敏感性更高，輸出功率大于20kW、輸出扭矩大于100Nm才能滿足90%以上工況點(diǎn)功率扭矩需求。
圖3 WLTC工況整車需求扭矩及需求功率
表2 WLTC低速工況（車速＜100km/h）整車需求功率/扭矩占比
2.2 電機(jī)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)
電機(jī)主要用于純電驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作及制動(dòng)能量回收。通過純電最高車速、純電最大爬坡度及制動(dòng)能量回收性能確定電機(jī)參數(shù)。
2.2.1 電機(jī)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)
1） 純電最高車速
最大需求功率可表示為：
式中：vEV_V——純電最高車速；m——滿載質(zhì)量；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；cD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積；ηT——總傳動(dòng)效率。
對(duì)于48V P2混動(dòng)車型，假設(shè)純電模式最高車速vEV_V=50km/h，根據(jù)式（1）得到電機(jī)的需求功率為PEV_V= 15.78kW，根據(jù)換擋圖，在50km/h時(shí)擋位為5擋，得到電機(jī)需求扭矩為TEV_V=98.54Nm。
2） 純電最大爬坡度
純電穩(wěn)態(tài)車速最大爬坡度為α，根據(jù)整車動(dòng)力學(xué)建立電機(jī)需求扭矩可表示為：
式中：vEV_C——爬坡時(shí)穩(wěn)定車速；Rtire——輪胎滾動(dòng)半徑；i1——變速器一擋速比。
根據(jù)式（2）計(jì)算得到純電模式下穩(wěn)定車速vEV_C=10km/h，爬坡度α=20°時(shí)的電機(jī)需求扭矩為TEV_C=120.26Nm，得到的電機(jī)需求功率為PEV_C=16.26kW。
3） 純電加速性能
一般以百公里加速時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而對(duì)于混動(dòng)車輛，若整車需求扭矩大于電機(jī)最大輸出扭矩將啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，故設(shè)置工況點(diǎn)檢查純電模式加速性能。設(shè)工況點(diǎn)車速為vEV_A，加速度為a，則電機(jī)需求扭矩可表示為：
式中：δm——等效整車質(zhì)量，滿足δm=m+；i2——變速器速比。
假設(shè)工況點(diǎn)車速vEV_A=20km/h，加速度a=0.2g，對(duì)應(yīng)的油門開度下變速器擋位為2擋，根據(jù)式（3）計(jì)算得到電機(jī)需求扭矩為TEV_A=124.11Nm，電機(jī)需求功率為PEV_A=12.05kW。
4） 電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配
通過純電模式最高車速、最大爬坡度及加速性能要求，得到電機(jī)的扭矩、功率要求為：
滿足條件1） ～3） 電機(jī)需求扭矩TEV=124.11Nm，需求功率PEV=15.78kW。由于P2電機(jī)用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩至少為15Nm，則確定電機(jī)需求扭矩TEV=139.11Nm；純電行駛過程中，電機(jī)需帶動(dòng)油泵、空調(diào)壓縮機(jī)等附件，假設(shè)附件功率損失為0.84kW，則電機(jī)需求功率為PEV=16.62kW。
結(jié)合表2中WLTC低速工況整車需求功率和需求扭矩可知，確定電機(jī)的額定功率為20kW、額定扭矩為150Nm時(shí)，可滿足WLTC低速工況90%工況點(diǎn)功率扭矩需求。同時(shí)，由于P2混動(dòng)取消了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速小于怠速轉(zhuǎn)速時(shí)不啟動(dòng)，因此希望電機(jī)恒扭轉(zhuǎn)速區(qū)間覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，20kW/150Nm電機(jī)恒扭轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～1273r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速800r/min，滿足要求。
5） 制動(dòng)能量回收
圖3中需求功率及需求扭矩負(fù)值為電機(jī)的制動(dòng)需求功率和需求扭矩，可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tgen=-150Nm，額定功率Pgen=-20kW可以滿足WLTC工況90%制動(dòng)工況點(diǎn)需求。
由于48V電機(jī)額定扭矩一般限制在100Nm以內(nèi)，推薦電機(jī)偏置布置，若鏈傳動(dòng)速比i=3，則確定電機(jī)參數(shù)為：額定功率20kW、額定扭矩50Nm。WLTC工況發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，則確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速18000r/min。
根據(jù)上述各工況計(jì)算得到48V-ISG永磁同步電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，具體參數(shù)如表3所示。
表3 電機(jī)基本性能參數(shù)
2.3 電池參數(shù)匹配設(shè)計(jì)
1） 電池的額定功率
逆變器及電機(jī)存在功率損失，為保證電機(jī)輸出額定功率，電池放電功率需滿足：
式中：ηDCAC——逆變器效率；ηM——電機(jī)效率。假設(shè)ηDCAC=90%、ηM=90%，得到電池的額定功率PBattery=24.69kW。
2） 電池能量及容量
車輛在純電模式下以車速vcs行駛里程為S，電池電量消耗ΔSOC，根據(jù)純電行駛里程計(jì)算電池的能量EB和容量CB，方程式可表示為：
式中：Pcs——車輛以車速vcs等速行駛所需功率；U=48V——電池組電壓。假設(shè)vcs=50km/h，S=5km，ΔSOC=0.9，計(jì)算得到EB=2.74kWh，電池容量CB=57Ah。電池組的具體參數(shù)如表4所示。
3 P2混動(dòng)匹配仿真分析
3.1 整車仿真模型
根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理建立P2混動(dòng)整車動(dòng)力學(xué)模型，如圖4所示。模型包括機(jī)械部分和控制部分。其中機(jī)械部分有發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)模型、電池等效電路模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、整車模型等子系統(tǒng)；控制部分有駕駛員模型、混動(dòng)能量管理、換擋控制等3個(gè)模塊?？刂撇糠指鶕?jù)駕駛員模型的油門、制動(dòng)信號(hào)，以及機(jī)械部分的反饋等作出決策，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)需求扭矩、離合器C0接合/分離狀態(tài)請(qǐng)求、變速器需求擋位及機(jī)械制動(dòng)扭矩等控制參數(shù)。
表4 電池基本性能參數(shù)
圖4 P2混動(dòng)整車動(dòng)力學(xué)模型
混動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是能量管理，完成發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)扭矩分配決策。根據(jù)電機(jī)介入情況把P2混動(dòng)驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)劃分為：純電模式（EV）、行車充電（LMP）、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)（Engine） 及電機(jī)助力（eBoost）、制動(dòng)能量回收（Regenerative Brake）、機(jī)械制動(dòng)等6種工作模式。具體的模式切換如圖5所示。根據(jù)整車需求扭矩、轉(zhuǎn)速及電池電量建立模式切換判定模型，對(duì)于具體的模式，搭建不同的扭矩分配模型。
圖5 P2混動(dòng)模式切換示意圖
為了維持電池電量平衡，需要根據(jù)電池電量對(duì)模式切換行進(jìn)了修正。行車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是能量管理策略的難點(diǎn)，當(dāng)以下3個(gè)條件之一滿足時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)：
①電池電量過低；
②整車需求扭矩超過電機(jī)峰值扭矩；
③車速及整車需求扭矩超過設(shè)定值。
3.2 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析
以表1給定的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器及整車參數(shù)、表3和表4選定的電機(jī)電池參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得到的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表5所示。
表5 P2混動(dòng)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果
從表5中仿真分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在動(dòng)力性方面，相同配置的燃油車型與48V P2混動(dòng)車型動(dòng)力性相差不大，主要原因?yàn)樽兯倨飨夼?50Nm，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩之和超過了變速器限扭但仍然只能輸出250Nm合扭矩，限制了混動(dòng)車型動(dòng)力性能發(fā)揮。在40-80km/h超車加速性能指標(biāo)上，P2混動(dòng)稍差與燃油車，原因在于：在車速為40km/h時(shí)，P2混動(dòng)處于純電模式，急踩油門需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程大約為1.2s，在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程中，電機(jī)輸出扭矩小于燃油車中發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，造成40-80km/h加速時(shí)間指標(biāo)上P2混動(dòng)車型大于燃油車，對(duì)于其他超車加速度指標(biāo)，由于P2混動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出合扭矩等于變速器限扭，與燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)輸出扭矩大致相等，因此，加速時(shí)間大致相同。
在經(jīng)濟(jì)性方面，48V P2混動(dòng)車型WLTC工況油耗為4.89L/100km，比燃油車型6.08L/100km 提高了19.57%，WLTC工況仿真結(jié)果如圖6所示。P2混動(dòng)從3個(gè)方面進(jìn)行節(jié)油：
①電機(jī)實(shí)時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，取消了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況；
②電機(jī)制動(dòng)能量回收；
③發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)節(jié)。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，若工況點(diǎn)落在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)間時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)模式；若工況點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)之下，進(jìn)入行車充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)曲線上，多余扭矩用于電機(jī)發(fā)電儲(chǔ)存在電池中；若工況點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)之上，進(jìn)入電機(jī)助力模式，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)燃油經(jīng)濟(jì)曲線上，不足扭矩通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供。以上3部分節(jié)油效果如表6所示。
從表6可以發(fā)現(xiàn)，由于WLTC工況停車工況較少，取消怠速節(jié)油占比為12.6%；同時(shí)減速工況較多，則制動(dòng)能量回收節(jié)油占比80.7%；WLTC工況車速變化較大，需要頻繁啟停發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)節(jié)節(jié)油效果不明顯，也從側(cè)面證明電機(jī)電池參數(shù)對(duì)WLTC工況節(jié)油影響有限。后續(xù)工作將從駕駛性出發(fā)，研究電機(jī)電池對(duì)P2混動(dòng)駕駛性能影響。
4 結(jié)論
本文針對(duì)某搭載1.5TG發(fā)動(dòng)機(jī)、7速濕式雙離合變速器的48V P2混動(dòng)A級(jí)車型，完成了電機(jī)電池參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，并搭建了P2混動(dòng)整車動(dòng)力學(xué)模型及能量管理策略，通過動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析，驗(yàn)證了電機(jī)電池選型方案，得到了如下結(jié)論。
圖6 WLTC工況P2混動(dòng)仿真結(jié)果
表6 WLTC工況P2混動(dòng)節(jié)油原理分析 （油耗單位L/100km）
1） 以48V P2混動(dòng)車型純電模式下最高車速、最大爬坡度、加速性能及WLTC工況驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)需求功率扭矩統(tǒng)計(jì)，制定了電機(jī)電池參數(shù)選擇方案。確定電機(jī)額定功率20kW、額定扭矩150Nm，可滿足90%WLTC工況功率扭矩需求，受制于48V電機(jī)扭矩限制，48V P2電機(jī)只能采用偏置布置，若帶傳動(dòng)速比為3，電機(jī)額定扭矩可降低到50Nm；通過電機(jī)額定功率、純電里程確定電池額定輸出功率及電能、電量等。
2） P2混動(dòng)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果表明，由于變速器限扭，48V P2混動(dòng)車型動(dòng)力性與相同配置燃油車型大致相同，但經(jīng)濟(jì)性大幅提高，WLTC工況油耗降低19.57%。
3） P2混動(dòng)WLTC工況節(jié)油原理分析表明，P2混動(dòng)主要通過取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)節(jié)油及制動(dòng)能量回收實(shí)現(xiàn)，WLTC工況制動(dòng)能量回收節(jié)油效果明顯，取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速次之，電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)調(diào)節(jié)效果較差，從側(cè)面表明WLTC工況油耗對(duì)電機(jī)電池參數(shù)選擇不敏感。
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